Объекты теплоэнергетики, важные составляющие инфраструктуры города, вместе с тем являются источниками химического и физического загрязнения окружающей среды, в особенности фильтрационные воды золоотвалов, в которых накапливаются несгоревшие продукты сжигания твердого топлива. Золы и шлаки могут содержать значительное количество микрокомпонентов, в том числе токсичных тяжелых металлов. В результате выщелачивания и последующей водной миграции химические элементы поступают в подземные воды, изменяя их природные характеристики и создавая при высоких концентрациях потенциальную опасность загрязнения питьевых вод.
Главными составляющими золошлаков являются оксиды SiO2, Al2O3, CaO, MgO, в меньшем количестве присутствуют сульфаты CaSO4, MgSO4, FeSO4, еще меньше содержания фосфатов и соединений щелочных металлов K2O и Na2O [1]. Минеральный состав золы зависит от состава минералов, входящих в уголь, которые представлены главным образом (в среднем 80–60 %) глинистыми минералами: иллитом, серицитом, монтмориллонитом, каолинитом, реже галлуазитом; сульфидами железа: пиритом, марказитом и мельковитом; карбонатами: кальцитом, сидеритом, доломитом, анкеритом, а также и кварцем. В меньших количествах встречаются полевые шпаты, фосфаты, нитраты, сульфаты, оксалаты, ванадаты, вольфраматы [2]. На разных стадиях технологического процесса в минеральном составе зол преобладают алюминаты, силикаты, частично или полностью дегидратированные формы глинистых минералов (муллит), оксиды кремния, гидрооксиды кальция (портландит), алюминия (гиббсит), сульфатсодержащие разности (бассанит, эттрингит) и др. [3].
Состав раствора, поступающего в золоотвал, во многом определяется взаимодействием воды с золошлаковой смесью, зависит он и от степени смешения оборотных и подкачиваемых вод, отсутствия или наличия разбавления атмосферными осадками. В пруде-отстойнике происходит осаждение взвешенных частиц, состав вод усредняется и изменяется в результате физико-химических процессов – сорбции донными отложениями химических компонентов, возможного вторичного минералообразования и др. Основное значение во взаимодействии золошлаков с водой имеет реакция гидратации свободного оксида кальция, формирующая щелочную реакцию водной среды [4].
В большинстве вод прудов-отстойников основа солевого состава представлена преимущественно кальциевыми соединениями. Микроэлементный состав золоотвальных вод определяется солевым и кислотно-основным фоном осветленной от золы воды. Наиболее универсальными загрязнителями практически всех зольных вод являются фториды и ванадий, концентрации которых могут заметно превышать санитарные нормы для природных водных объектов [5]. Подвижность микроэлементов в большей степени зависит от кислотности среды. С увеличением щелочности миграционная способность катионов снижается, а микроэлементов В, Mo, As, W, входящих в состав анионов, возрастает, что может приводить к формированию вокруг золоотвалов техногенных геохимических ореолов [3]. Наличие двух мощных геохимических барьеров: щелочного и сульфатного – ограничивает подвижность в водной среде золошлаковой толщи таких экологически активных элементов, как барий, стронций, хром, медь, цинк, марганец и другие [6]. Это приводит к высокому обогащению микроэлементами техногенных вод на границе контакта зол и подстилающих грунтов, которые являются источником загрязнения подземных вод [7].
Цель исследования: характеристика гидрогеохимической ситуации в зоне влияния ГЗО Читинской ТЭЦ-1.
Материалы и методы исследования
На территории Читы эксплуатируются две крупнейшие ТЭЦ топливно-энергетического комплекса (ТЭК) Восточного Забайкалья. Одна из них, Читинская ТЭЦ-1, расположенная на северном берегу оз. Кенон, в течение 50 лет использует его в качестве источника технического водоснабжения и водоема-охладителя. Золоотвал Читинской ТЭЦ-1 находится по гипсометрическим отметкам выше ее площадки, в 3 км к северо-западу. ГЗО введен в эксплуатацию в 1973 г. без противофильтрационного экрана. ТЭЦ-1 работает на смеси уртуйского, харанорского и татауровского бурых углей (табл. 1).
Объекты исследования – пруд-отстойник ГЗО (рис. 1), разгрузка, появившаяся приблизительно в 1 км южнее ГЗО вследствие фильтрационных потерь из него; самоизливающаяся скважина глубиной 70 м в левом борту долины реки Кадалинки, пробурена для выяснения причин подтопления взлетной полосы аэропорта, возникшего после начала заполнения золоотвала; скважины наблюдательной сети за гидродинамическим и гидрохимическим режимом подземных вод водоносного комплекса нижнемеловых отложений на участке золоотвала: скв. 241 глубиной 60 м, скв. 26 кн глубиной 100 м, скв. 24 кн глубиной 77,2 м.
Таблица 1
Химический состав минеральной части исходных углей и продуктов их сжигания на Читинской ТЭЦ-1 [1]
|
Материал |
Компоненты, % мас. на золу |
|||||||||
|
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
TiO2 |
MnO2 |
P2O5 |
K2O |
Na2O |
|
|
Уголь |
52,5 |
6,3 |
20,9 |
11,9 |
1,3 |
0,7 |
– |
1,1 |
3,1 |
3,5 |
|
Золошлак |
56,9 |
7,5 |
15,9 |
8,3 |
3,2 |
0,7 |
0,2 |
0,3 |
0,9 |
0,6 |
Местоположение объектов исследования: 1– гидрозолоотвал; 2 – разгрузка; 3 – скважина в долине р. Кадалинки; 4 – скважина 241; 5 – скв. 26 кн; 6 – скв. 24 кн. Стрелками показано направление движения вод
В зоне влияния фильтрационных вод ГЗО развиты трещинно-пластовые воды водоносного комплекса доронинской свиты раннемелового возраста. Водовмещающие породы представлены песчаниками на карбонатном цементе с прослоями аргиллитов и алевролитов. Воды пресные с отдельными участками слабосолоноватых вод (1,36–1,50 г/л) гидрокарбонатного кальциевого или магниевого типа. В верхней гидродинамической зоне (на первом водоупоре) они грунтовые, с глубиной становятся напорными. Сульфатные воды прослеживаются от золоотвала на юго-восток.
В работе использованы данные химико-аналитических исследований лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии ИПРЭК СО РАН за 2002–2018 гг. и ГУП «Забайкалгеомониторинг» за 2004–2017 г. Микрокомпонентный состав (за исключением фторид-иона) описан по результатам масс- спектрометрического анализа единичных проб за 2015 и 2018 гг., выполненного в Институте геохимии СО РАН. Наименование химического типа воды дано от 20 экв.- % по возрастанию содержания основных ионов согласно отраслевому стандарту ОСТ 41-05-263-86.
Химико-аналитические исследования выполнены по стандартным методикам в лаборатории, аттестованной на выполнение анализов природных вод. Применялись титриметрический (CO2, HCO3-, CO32-), турбидиметрический (SO42-), потенциометрический (pH, Cl-, F-), фотометрический (Si, P, перманганатная окисляемость), атомно-абсорбционный (основные катионы, стронций, другие металлы) и другие методы анализа.
Результаты исследования и их обсуждение
Воды пруда-отстойника ГЗО Читинской ТЭЦ-1 сульфатные магниево-кальциевые, в период 2008–2015 гг. хлоридно-сульфатные трехкомпонентные по катионному составу с величиной минерализации за исследуемый период 0,77–1,36 г/л (среднее 1.06 г/л), щелочные со значением pH 8,16–9,33. Основные гидрохимические характеристики вод отстойника приведены в табл. 2. Источником высоких содержаний сульфат-иона является сульфидная сера, содержащаяся в сжигаемом топливе и минералах, образующихся в результате геохимического преобразования первичного вещества углей при их сжигании, отчасти серная кислота, используемая для чистки котлов от накипи. Геохимических барьеров, ограничивающих накопление в водах ГЗО сульфатов, практически не существует. Насыщение по гипсу, наименее растворимому сульфатному минералу, не достигается [8].
Таблица 2
Макрокомпонентный состав вод пруда-отстойника ГЗО Читинской ТЭЦ-1
|
Компоненты |
Содержание, мг/л |
||
|
Сред. |
Мин. |
Макс. |
|
|
CO3-2 |
14,1 |
5,04 |
33,0 |
|
HCO3- |
79,6 |
18,9 |
126,8 |
|
SO4-2 |
540,3 |
291,0 |
730,0 |
|
Cl- |
99,4 |
70,8 |
122,6 |
|
F- |
14,6 |
8,68 |
18,1 |
|
Ca+2 |
183,3 |
91,3 |
299,6 |
|
Mg+2 |
48,6 |
19,8 |
89,3 |
|
Na+ |
73,1 |
27,6 |
93,5 |
|
K+ |
6,74 |
2,86 |
11,1 |
|
Si |
10,6 |
4,04 |
20,8 |
|
Жесткость общ., мг-экв./л |
12,7 |
9,33 |
22,4 |
Взаимодействие техногенных вод с золошлаками, почвами и породами приводит к понижению их кислотно-основных свойств [9]. В результате фильтрации через золошлаковые отложения фтор удаляется из фильтрующихся вод, что обусловлено процессом образования флюорита, по которому воды отстойника пересыщены [8]. В сравнении с водами отстойника в подземных водах уменьшается содержание кальция, но растут концентрации магния, за счет которого увеличивается жесткость воды [10]. Высокие содержания гидрокарбонатных ионов соответствуют естественному гидрогеохимическому фону.
Для воды разгрузки характерна вариабельность состава – сульфатно-гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфатные по анионам, магниево-кальциевые, кальциево-магниевые по катионам. Вода скважин гидрокарбонатно-сульфатная, кальциево-магниевая, за исключением скважины 24 кн, находящейся на периферии ореола загрязнения, где она имеет гидрокарбонатный натриево-магниево-кальциевый состав. Данные по химическому составу подземных вод (табл. 3) свидетельствуют о превышении ПДК по сульфатам, фтору, общей жесткости, величине минерализации, за исключением той же скважины. Близко к допустимой норме или превышает ее в отдельных случаях содержание в подземных водах кремния, источником которого могут являться как инфильтрационные воды золоотвала, так и, скорее всего, он может накапливаться в водоносном комплексе в результате выщелачивания его из вмещающих пород [10]. Содержание Si в скважине, расположенной наиболее близко к золоотвалу (т. 4, табл. 3), ниже 10 мг/л.
Таблица 3
Макрокомпонентный состав подземных вод зоны влияния ГЗО (мг/л, кроме pH)
|
Компоненты |
Объекты опробования |
|||||
|
2002–2018 гг. |
2017–2018 гг. |
|||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
ПДК |
|
|
pH |
|
|
|
|
|
6–9 |
|
Жесткость общая |
|
|
|
|
|
7,0 |
|
HCO3- |
|
|
|
|
|
– |
|
CO2 |
|
|
|
|
|
– |
|
SO42- |
|
|
|
|
|
500 |
|
Компоненты |
Объекты опробования |
|||||
|
2002–2018 гг. |
2017–2018 гг. |
|||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
ПДК |
|
|
Cl- |
|
|
|
|
|
350 |
|
F- |
|
|
|
|
|
1,2–1,5 |
|
Ca2+ |
|
|
|
|
|
– |
|
Mg2+ |
|
|
|
|
|
– |
|
Na+ |
|
|
|
|
|
200 |
|
K+ |
|
|
|
|
|
– |
|
М, г/л |
|
|
|
|
|
1,00 |
|
Si |
|
|
|
|
|
10,0 |
Примечания: М – минерализация; в числителе минимальное – максимальное, в знаменателе – среднее значения; ПДК по СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» (с изменениями на 2 апреля 2018 года)».
Таблица 4
Содержание металлов в подземных водах зоны влияния ГЗО (мкг/л)
|
Компоненты |
Объекты |
ПДК |
||||
|
1 |
2 |
3 |
5 |
|||
|
2015 г. |
2018 г. |
2015 г. |
2015 г. |
2018 г. |
||
|
Al |
73,0 |
293,0 |
28 |
18 |
25 |
500 |
|
As |
11,3 |
152,0 |
0,97 |
6,60 |
3,76 |
50 |
|
B |
5537 |
4123 |
230 |
1194 |
910 |
500 |
|
Be |
0,023 |
0,050 |
0,028 |
1,27 |
0,73 |
0,20 |
|
Ba |
215 |
725 |
25 |
23 |
8,2 |
100 |
|
Br |
137 |
328 |
80 |
104 |
331 |
200 |
|
V |
104,0 |
147,0 |
0,57 |
0,13 |
0,090 |
100 |
|
Cu |
1,34 |
3,18 |
0,84 |
0,79 |
2,40 |
1000 |
|
Fe |
– |
185,0 |
– |
– |
96 |
300 |
|
Mn |
3,06 |
30,0 |
540,0 |
484 |
1696 |
100 |
|
Ni |
1,27 |
3,70 |
16,0 |
0,92 |
64,0 |
100 |
|
Co |
0,29 |
0,85 |
0,39 |
0,22 |
81 |
100 |
|
Zn |
2,87 |
6,10 |
74,0 |
4,54 |
160,0 |
5000 |
|
Mo |
151,0 |
69,0 |
1,22 |
4,93 |
5,10 |
250 |
|
Li |
117,0 |
97,0 |
194,0 |
126 |
143 |
30 |
|
Sr |
6520 |
5825 |
2561 |
1905 |
820 |
7000 |
|
Se |
3,23 |
21,0 |
0,056 |
0,37 |
0,30 |
10 |
|
Rb |
20,0 |
18 |
26,0 |
13,6 |
32 |
100 |
|
Компоненты |
Объекты |
ПДК |
||||
|
1 |
2 |
3 |
5 |
|||
|
2015 г. |
2018 г. |
2015 г. |
2015 г. |
2018 г. |
||
|
W |
55,0 |
53,0 |
<ПО |
<ПО |
0,12 |
50 |
|
Th |
0,018 |
0,067 |
0,0073 |
0,0033 |
0,0038 |
– |
|
Tl |
0,060 |
0,066 |
0,066 |
0,016 |
0,17 |
10 |
|
U |
1,90 |
7,10 |
3,90 |
0,032 |
2,51 |
– |
Примечание: ПО – предел обнаружения; ПДК аналогично табл. 3.
В подземных водах в районе ГЗО вне зоны его влияния концентрации сульфат-иона изменялись от 22,8 до 66,0 мг/л [8]. Анионный состав гидрокарбонатный.
По данным масс-спектрометрического анализа по единичным пробам за 2015 и 2018 гг. из пруда-отстойника (т. 1, табл. 4), разгрузки (т. 2), скважины в долине р. Кадалинки (т. 3) и скв. 26 кн (т. 5) в подземных водах зоны влияния золоотвала отмечаются повышенные, в том числе превышающие ПДК, содержания бора, лития, бериллия, марганца, железа, никеля, кобальта, цинка, рубидия, брома, бария. По результатам атомно-абсорбционного анализа водных проб из скв. 241 за период 2017–2018 гг. содержания железа изменялись в пределах 1,25–9,87 мг/л, марганца – 0,19–1,31 мг/л, никеля – 1,11–12,6 мкг/л, кобальта – 0,99–2,56 мкг/л; из скв, 24кн: железа – 0,65–3,86 мг/л, марганца – 0,08–0,21 мг/л, никеля – 2,44–12,9 мкг/л, кобальта – 0,33–2,28 мкг/л.
Источником высоких содержаний бора является золоотвал, Высокие концентрации марганца и железа определяются физико-химическими условиями водной среды. Источник кобальта и никеля – водовмещающие породы
Выводы
Фильтрационные воды золоотвала сульфатного магниево-кальциевого состава с высокими содержаниями сульфат-иона, фторидов, максимальной величиной минерализации больше 1 г/л, распространяясь за его пределы и смешиваясь с водами подземного водоносного горизонта, вносят изменения в их гидрохимические характеристики. Природный гидрокарбонатный и сульфатно-гидрокарбонатный состав вод сменился на сульфатный и гидрокарбонатно-сульфатный. Ореол загрязнения подземных вод сульфатами развивается от золоотвала в сторону р. Кадалинка и оз. Кенон, его площадь в настоящее время составляет около 10 кв. км. ПДК превышены по фторидам, величинам минерализации и общей жесткости, кремнию, бору, марганцу, железу, литию.